부력에 의한 부상방지

1. 개  요

각종 구조물에는 외적 하중, 즉 구조물 설치 목적물의 하중, 토압, 수압, 부력, 양압력, 풍하중 그리고 진동 및 지진에 의한 동 하중등이 작용하며, 동 구조물은 시공과정 및 시공 완료후에도 이러한 외적 하중 조건에 안전해야 한다. 특히 구조물 시공 과정에서 외적 하중조건 중 지하수에 의한 부력 및 양압력에 대한 검토 및 대비가 미비할 경우 구조물의 부상등의 피해를 초래하는 사례가 많아 이에 대해 기술하고자 하니 현장에서는 구조물 부상방지 대책에 참조토록 하여 주시기 바랍니다.

2. 용어의 정의

1) 부  력(Buoyancy)

어떤 물체가 수중에 있을 때 그 물체는 물속에 잠긴 물체부피의 물무게 만큼 가벼워지며 이때 가벼워지는 힘을 부력이라 한다.

2) 양압력(Up lift)

어떤 물체가 수중에 있을 때 그물체는 수압이 작용하며 이런 수압중 상향으로 작용하는 수압을 양압력이라 한다.

b

G.W.L

H

q=γw・H

3. 피해 예시

1) 부력에 의한 피해

부력의 검토를 필요로 하는 구조물은 설계시 완성된 구조물에 대해 검토를 하며 시공단계에서의 검토는 하지 않으므로 이는 시공현장에서 검토되고 대책이 강구 되어야 한다.

- 시공중인 하수처리장의 침사지, 포기조, 초침, 종침, 펌프동, 정수장의 침사지, 지하저수조의 부상

- 시공중인 건축물의 지하실의 부상

- 시공중인 관로의 부상등.

2) 양압력에 의한 피해

전면기초의 경우 부력에는 안전하지만 바닥 Slab 밑에서 상향으로 작용하는 양압력에 대해 단면이 부족한 경우

- 시공중인 건축물 지하바닥 Slab의 융기 및 파손, 지하수 용출

4. 구조물의 부력에 저항하는 기구 및 안전율

1) 부력 저항기구

(1) 구조물의 자중 및 상재하중

(2) 구조물과 되메움 토사와의 마찰력

(3) 바닥 Slab key와 지표와의 Wedge 무게

(4) Pile의 인발 저항력

(5) 부력 방지용 Anchor

2) 부력에 대한 안전율

[eqn: rm Fs~=~{W~+~Ww~+~ mu ~+~Anchor~f o r c e~or~P i l e~인발~저항력의~일부 } over U]

5. 피해발생 원인

일발적으로 구조물 공사는 지하수가 배제된 상태에서 시공 하거나 또는 원지반에 구조물을 축조후 주위를 성토하여 구조물을 완성하기 때문에 시공과정에서 지하수위 상승에 대해 실감치 못하고 간과함으로써 피해가 발생한다.

◦ 지하수 상승의 원인

- 지하수위가 높은 지역에서 구조물 완성후 배수를 중단시

- 강우에 의한 지표수의 지하침투시

- 굴착구 주변의 상수도관 파열로 침수시

6. 부력 및 양압력에 대한 대비책

1) 현장에서 구조물의 부력 및 양압력에 대한 검토

◦ 현장에서 지반조사 주상도나 주변 지하수위를 파악하여 시공단계 및 완성 구조물의 부력에 대해 사전 검토.

◦ 지하수위에 의해 작용하는 양압력에 대해 바닥 Slab의 안전성 검토

[eqn: rm M_max~=~{wℓ^2 }over{8}]

[eqn: rm sigma~=~{M}over{z}] < 콘크리트 허용응력

2) 호우시 지표수의 유입에 의해 급격히 지하수가 상승하지 않도록 대책 강구

◦ 저수조의 경우 저수조 내부에 물을 채움

◦ 공사 현장의 지표면 정리 및 가배수로를 설치하여 지표수를 원활히 배제하여 굴착구내로 지하수 유입방지

◦ 필요시 지하수 및 지표수 배제용 Pump 준비

◦ 계곡부의 지표수가 공사부지 내로 유입되지 않도록 조치

◦ 구조물 주변에 맹암거를 설치하여 지하수를 저지대로 배제하여 지하수 상승 방지

◦ 저수조의 경우 바닥 Slab에 hole을 설치하여 지하수 상승시 구조물내로 지하수가 유입토록 조치

◦ 가능한 우기전에 Back fill 완료

◦ 부력방지 Anchor 설치

위의 조치사항중 1개 또는 1개 이상의 조합으로 최악의 경우에도 한계지하수위 이상 지하수가 상승치 않도록 조치.

붙  임  :  - 맹암거 설치 개념도

- 저수조 Slab 지하수 유입용 Hole 설치 개념도

1. 맹암거 설치 개념도

2. 저수조 Slab 지하수 유입용 Hole 설치 개념도